linx_Chimica. Principi, modelli, applicazioni_primo biennio

capitolo

1

Le grandezze e le misure in chimica 1 La chimica e i due livelli interpretativi 2 Le grandezze sono proprietĂ della materia 3 Il Sistema Internazionale di unitĂ di misura 4 Gli strumenti di misura 5 Alcune grandezze fondamentali 6 Grandezze derivate: volume, densitĂ , pressione 7 Energia, sistema e ambiente

2 3 4 5 6 7

121

1 La teoria atomica di Dalton Le leggi ponderali della chimica mettono in evidenza che le masse delle sostanze che prendono parte a una reazione non si combinano tra loro in rapporti casuali, ma definiti. Le leggi, però, non spiegano perché la materia si comporta in questo modo.

Nel 1808 John Dalton (1766-1844; figura 1) formulò la prima teoria scientifica sulla natura atomica della materia, basandosi su osservazioni e dati sperimentali. Dalton partì da una semplice osservazione; sappiamo che si può suddividere una porzione di materia in parti sempre più piccole, senza alterare le sue proprietà. Per esempio, il mercurio può essere suddiviso in goccioline via via più piccole, che possono ricostituire la goccia originale quando si riuniscono. Al limite, si può pensare di continuare questa suddivisione fino a ottenere goccioline microscopiche di mercurio, che tuttavia mantengono le sue stesse proprietà.

Però non potremo continuare all’infinito; a un certo punto di questo “esperimento mentale” si arriverà alla particella più piccola di mercurio, che ha una massa caratteristica (figura 2).

1 | John Dalton era un insegnante di Manchester, in Inghilterra. Dalton costruì modelli di atomi in legno, simili a quelli qui sotto.

Abbiamo visto le leggi ponderali nel capitolo 4.

2 | Immaginiamo di suddividere il mercurio in goccioline sempre più piccole. A un certo punto, si arriverà a una particella che non si può dividere ulteriormente e che possiede tutte le proprietà chimiche del mercurio: è l’atomo di mercurio.

atomi di mercurio

Dalton ipotizzò che la materia sia formata da particelle indivisibili, un’idea che alcuni filosofi greci avevano formulato nell’antichità. La teoria atomica di Dalton si può riassumere come segue: ■■ la materia è formata da particelle sferiche, dure e lisce; questi atomi (átomos, ◀◀Atom in greco, significa “indivisibile”) sono indivisibili e indistruttibili; ■■ gli atomi di uno stesso elemento sono tutti uguali e hanno la stessa massa; ■■ nelle reazioni, gli atomi di un elemento, essendo indivisibili, si combinano solo con atomi interi dello stesso elemento o di altri elementi; ■■ gli atomi di un elemento non possono essere creati o distrutti, e neppure trasformati negli atomi di altri elementi.

Questa teoria, con i suoi postulati, permetteva di spiegare le leggi ponderali e consentì a Dalton di prevedere la legge delle proporzioni multiple, che riguarda il caso in cui due elementi formano tra loro composti diversi. Infatti, se gli atomi sono indivisibili, allora quando un elemento A forma composti diversi con un secondo elemento B, un atomo di A deve combinarsi con 1, 2, 3 … atomi interi di B (non con “porzioni” di atomi); di conseguenza, le masse di B che reagiscono con una stessa massa di A devono stare tra loro in rapporti piccoli, interi.

Per esempio, il carbonio (simbolo, C) forma due diversi composti con l’ossigeno

102

In particolare, Leucippo e Democrito ipotizzarono che la materia fosse costituita da particelle indivisibili (atomos), che si muovono in modo casuale nello spazio vuoto. Per quasi duemila anni, però, si impose una diversa teoria della materia, che si basava sui precetti di Aristotele.

(simbolo, O): il diossido di carbonio (CO₂) e il monossido di carbonio (CO). I rapporti di massa, trovati sperimentalmente per i due composti sono:

diossido di carbonio massa di ossigeno che si combina con un 1 g di carbonio = 2,66 g

VERIFIC

monossido di carbonio massa di ossigeno che si combina con un 1 g di carbonio = 1,33 g

Il rapporto tra queste le due masse di ossigeno è un numero intero, piccolo: 2,64/1,33 = 2. Nel diciannovesimo secolo, però, non c’erano ancora sufficienti prove scientifiche a favore della teoria atomica; circa cento anni dopo, in seguito agli studi condotti sui gas, si scoprì che gli atomi non sono indivisibili, ma sono formati da particelle ancora più piccole (le cosiddette particelle subatomiche). In base alle nuove evidenze sperimentali, la teoria e il modello di Dalton furono modificati.

A

RIVEDI I CONCETTI

I modelli molecolari mostrano che una molecola di diossido di carbonio contiene 2 atomi di ossigeno per un atomo di carbonio, mentre la molecola di monossido contiene 1 solo atomo di ossigeno per un atomo di carbonio.

TUTOR Test interattivo

Completa le seguenti frasi.

1 Secondo la

di Dalton gli atomi di un elemento non possono essere né creati, né distrutti, e neppure trasformati in atomi di elementi diversi. che chiamò

.

Vero o falso?

3 Per Dalton, gli atomi di uno stesso elemento possono essere uno diverso dall’altro.

V F

4 Per Dalton, gli atomi di uno stesso elemento hanno tutti la stessa massa. V F

info | POINT

Il microscopio a scansione a effetto tunnel

Oggi è disponibile una tecnica che ci permette di “vedere” gli atomi e addirittura di “spostarli” a uno a uno; in sigla si chiama STM (dall’inglese, Scanning Tunneling Microscopy). Un elettrodo a punta ultrafine viene spostato sopra una superficie; la corrente elettrica che si genera tra la punta dell’elettrodo e la superficie, anche se non sono in contatto diretto (effetto tunnel), viene misurata e può essere convertita in una immagine della superficie atomica.

Gerd Binning e Heinrich Rohrer scoprirono la STM nel 1981, in un laboratorio della IBM, in Svizzera; nel 1986, ottennero il premio Nobel. Altri scienziati, successivamente, hanno utilizzato questa tecnica per “spostare” singoli atomi e molecole.

GLI ATOMI E LA TAVOLA PERIODICA

2 Secondo Dalton, la materia è costituita da particelle sferiche indistruttibili,

5

Immagine in STM di atomi di ferro (in colore blu); il loro diametro è circa di 7 nanometri.

103

2 La scoperta delle particelle subatomiche

Le proprietà elettriche della materia Gli antichi greci avevano scoperto che un frammento di ambra, strofinato su un panno, attirava piume e paglia sminuzzata. Possiamo riprodurre questa esperienza strofinando una biro su un panno di lana e poi avvicinandola a dei pezzettini di carta: la carta viene attirata dalla biro. Alla base di questi fenomeni di elettrizzazione c’è una proprietà della materia chiamata carica elettrica. Si è stabilito di assegnare il segno positivo (+) agli oggetti che si comportano come il vetro, e il segno negativo (–) agli oggetti che si comportano come l’ambra e le altre resine. Due oggetti di vetro carichi positivamente (+ e +) si respingono; lo stesso avviene tra due oggetti di resina carichi negativamente (– e –) (figura 3).

Al contrario, un oggetto di vetro e uno di resina si attraggono, perché hanno cariche di segno opposto (+ e –).

3 | Proprietà elettriche della materia Cariche opposte si attraggono; cariche uguali si respingono.

Gli elettroni sono particelle con carica negativa Nel 1858 il fisico tedesco Heinrich Geissler costruì un tubo di vetro, al cui interno saldò due lamine di metallo, gli elettrodi, collegate a un generatore di corrente.

Inserendo dei gas a bassa pressione, e fornendo corrente agli elettrodi, si genera una scarica, di colore diverso a seconda del gas (rosso per i vapori di idrogeno, giallo-rosso per l’azoto ecc.). Tra il 1860 e il 1890 il chimico e fisico inglese William Crookes mise a punto l’apparecchiatura. Nei suoi esperimenti, Crookes osservò che, a pressione molto bassa, la scarica scompariva e la parte di tubo opposta al catodo diventava fluorescente (figura 4).

Crookes ipotizzò che la fluorescenza fosse dovuta a raggi sconosciuti, emessi dal catodo, che interagivano con il vetro del tubo. Perciò li chiamò raggi catodici.

Dallo studio dei raggi catodici si comprese che (figura 5): ■■ i raggi si propagano in linea retta; ■■ devono avere carica negativa; ■■ non sono raggi, ma fasci di particelle.

Nella materia, dunque, esistono particelle con carica negativa.

B

A

5 | Le proprietà dei raggi catodici A] Viaggiano in linea retta, perciò proiettano l’ombra di un ostacolo che li intercetta; B] hanno carica negativa, perché, in presenza di due

104

piastre con carica opposta, vengono deviati verso la piastra positiva; C] non sono raggi ma particelle, perché mettono in movimento un mulinello che sta nella loro traiettoria.

C

4 | Tubo di Crookes Applicando un alto voltaggio tra i due elettrodi, sono prodotti i raggi catodici, che dall’elettrodo negativo (catodo) vanno verso l’elettrodo positivo (anodo).

Nel 1897 il fisico inglese Joseph J. Thomson (1856-1940; figura 6) riuscì a determinare il rapporto tra la massa e la carica di queste particelle; scoprì che tale rapporto non dipendeva né dal gas né dalla natura degli elettrodi. Ciò significava che gli atomi di tutti gli elementi contengono le stesse particelle negative, a cui successivamente fu dato il nome di elettroni; in questo libro li indicheremo con il simbolo e–.

6 | Joseph John Thomson insegnò fisica sperimentale alla Università di Cambridge, in Inghilterra.

L’elettrone è una particella fondamentale della materia, con massa 9,110 ∙ 10−31 kg; per convenzione, alla carica dell’elettrone si assegna il valore –1 (in coulomb, vale 1,6 * 10–19 C).

◀◀Electron

I protoni sono particelle con carica positiva

I neutroni sono particelle prive di carica Alcuni anni più tardi, nel 1932, si scoprì che all’interno degli atomi si trovano anche i neutroni (simbolo, n), che possiedono massa circa uguale a quella di un protone e sono privi di carica (tabella 1).

Tabella 1 Le particelle subatomiche Particella

Simbolo

protone

pop

+1

1,673 ∙ 10−27

neutrone

n

0

1,675 ∙ 10−27

elettrone

e−

−1

9,110 ∙ 10−31

5 GLI ATOMI E LA TAVOLA PERIODICA

Utilizzando un tubo di Crookes opportunamente modificato, si osservò che anche l’anodo emetteva raggi, che furono chiamati raggi anodici. Risultarono essere particelle con carica positiva, ma il loro rapporto carica/massa non ero sempre lo stesso. Nel 1911 fu misurata la carica di queste particelle, che risultò uguale a quella dell’elettrone, ma di segno opposto. Si arrivò così alla scoperta dei protoni ◀◀Proton (indicati con il simbolo p+); a ogni protone si assegna la carica convezionale +1.

A questo punto, il modello atomico di Dalton era superato; gli atomi non sono indivisibili, bensì sono costituiti da particelle più piccole: gli elettroni (negativi) e i protoni (positivi).

I protoni hanno massa −27 Normalmente, gli atomi sono neutri perché le cariche dei protoni e quelle de- 1,673 ∙ 10 kg, un valore che è circa 1840 volte più gli elettroni si neutralizzano a vicenda. Detto in altri termini, in un atomo neu- grande della massa di un elettrone. tro, il numero dei protoni è uguale al numero degli elettroni.

Carica relativa Massa (kg)

Protoni e neutroni sono tenuti insieme nel nucleo da una forza molto intensa che agisce tra coppie di particelle poste a brevissima distanza, la forza nucleare. È questa forza che consente ai nuclei di stare insieme, nonostante la repulsione elettrostatica che agisce tra i protoni (figura 7). forza di attrazione nucleare tra i componenti di un nucleo

forza di repulsione tra i protoni

7 | La forza nucleare tiene uniti neutroni protoni in un nucleo atomico contrastando la repulsione elettrostatica che agisce tra le coppie di protoni.

105

VERIFIC

A

RIVEDI I CONCETTI

TUTOR Test interattivo

Completa le seguenti frasi.

5 Nei tubi di Crookes, riempiti di gas a pressione sufficientemente bassa, si osserva una fluorescenza dovuta ai

6 Gli

.

sono particelle fondamentali con carica .

7 In un atomo

il numero dei protoni è uguale a quello degli

elettroni.

Vero o falso?

8 I raggi catodici che si osservano nei tubi di Crookes sono formati da particelle di carica positiva.

V F

9 I protoni hanno massa minore degli elettroni.

V F

10 I neutroni sono particelle subatomiche con carica nulla.

V F

info | POINT

Energia dal nucleo

I neutroni sono coinvolti nei processi di fissione nucleare che permettono di generare energia nelle centrali nucleari. Bombardando con i neutroni il nucleo di elementi atomici pesanti, come l’uranio, i nuclei si spezzano, liberando energia e alimentando a loro volta ulteriori reazioni di fissione.

3 La struttura degli atomi Il modello atomico di Thomson Nel 1904 Thomson propose un nuovo modello, che lui stesso chiamò “plum pudding” (un dolce natalizio inglese, che ricorda il nostro panettone). Secondo tale modello, gli elettroni sono distribuiti in modo casuale ma abbastanza uniforme in una sfera con carica positiva (figura 8). Gli elettroni sono presenti in numero sufficiente per bilanciare la carica positiva dispersa nella sfera atomica. Per questo motivo, l’atomo è complessivamente neutro.

Il suo modello, però, fu messo ben presto in crisi da nuovi esperimenti e fu sostituito con uno che assomigliava di più al Sistema solare, che a un panettone.

8 | Nel modello di Thomson gli elettroni (e–) sono distribuiti in una sfera con carica positiva distribuita in modo abbastanza uniforme.

106

L’atomo di Rutherford Ernest Rutherford (1871-1937; figura 9) si occupava della radioattività naturale, un fenomeno da poco scoperto dai coniugi Curie. Nel suo esperimento, Rutherford bombardava sottili lamine di diversi metalli, tra cui l’oro, con particelle di carica positiva chiamate particelle alfa (a). Le particelle alfa, dopo avere urtato la lamina di metallo, colpivano uno schermo circolare ricoperto di una sostanza che diventa fluorescente quando entra in contatto con esse (figura 10).

10 | L’esperimento di Rutherford A] Le particelle alfa, cariche positivamente, venivano “sparate” come proiettili sulla sottile lamina di oro. Alcune particelle venivano deviate e pochissime rimbalzavano indietro; la maggior parte attraversava indisturbata il metallo. B] Il modello di Thomson non spiegava le osservazioni sperimentali.

C] Nel nuovo modello proposto da Rutherford, i protoni sono raccolti in un nucleo centrale.

Le pochissime particelle alfa che colpiscono un nucleo vengono deviate all’indietro; le altre particelle passano indisturbate o sono solo leggermente deviate.

raggio di particelle alfa

lamina di oro

9 | Ernest Rutherford nacque in Nuova Zelanda, ma studiò in Inghilterra, a Cambridge; nel corso della sua carriera lavorò in diverse università, tra Europa e Canada.

schermo sorgente di particelle alfa

A

5 C

I risultati dell’esperimento non furono quelli che ci si poteva aspettare in base al modello di Thomson. Infatti, la maggior parte delle particelle alfa attraversava la lamina, ma alcune di esse venivano deviate e una minima percentuale addirittura rimbalzava indietro.

Questi risultati si potevano spiegare solo supponendo che la massa e la carica positiva degli atomi fossero concentrate in una regione molto piccola, al centro di ogni atomo (figura 11). Nel nuovo modello atomico proposto da Rutherford:

GLI ATOMI E LA TAVOLA PERIODICA

B

■■ buona parte della massa dell’atomo e tutta la sua carica positiva sono contenute in un piccolissimo nucleo centrale; ■■ la maggior parte dell’atomo è uno spazio vuoto nel quale gli elettroni, di massa trascurabile e con carica negativa, ruotano attorno al nucleo.

Rutherford riuscì anche a calcolare il raggio del nucleo atomico (circa 10–15 m) e il raggio atomico medio (circa 10–10 m), circa centomila volte più grande.

11 | Il modello dell’atomo di Rutherford è simile al Sistema solare; intorno al nucleo, con carica positiva, orbitano gli elettroni, più leggeri e con carica negativa. In questa figura, il nucleo non è disegnato in scala.

107

L’atomo di Bohr e i modelli successivi L’atomo del modello di Rutherford era intrinsecamente instabile; girando attorno al nucleo, gli elettroni dovrebbero perdere energia e caderci dentro (figura 12); ma ciò non accade. Inoltre, il modello di Rutherford non dava alcuna indicazione su come fossero disposti gli elettroni attorno ai nuclei.

Nel 1913 il fisico danese Niels Bohr (1885-1962), allievo di Rutherford, propose un nuovo modello atomico. Secondo Bohr, gli elettroni si muovono solo in specifiche orbite attorno al nucleo (figura 13). Ogni orbita è caratterizzata da un ben preciso valore di energia, chiamato livello energetico. Il moto degli elettro- ◀◀Energy level ni attorno ai nuclei atomici è analogo a quello dei pianeti lungo le proprie orbite attorno al Sole.

Quando gli elettroni di un atomo occupano i livelli di minore energia, l’atomo si dice nel suo stato fondamentale. Quando uno (o più) elettroni passano a livelli maggiori di energia, l’atomo si dice in uno stato eccitato.

12 | L’instabilità dell’atomo di Rutherford Secondo la fisica classica, un elettrone che orbita attorno al nucleo atomico dovrebbe perdere energia, emettendo onde elettromagnetiche, e precipitare sul nucleo

13 | Nel modello di Bohr gli elettroni si muovono attorno al nucleo su orbite circolari caratterizzate da un ben preciso livello di energia, a seconda della distanza dal nucleo.

14 | L’atomo è per lo più spazio vuoto Possiamo immaginare che gli elettroni formino attorno al nucleo una “nuvola” di carica negativa, più densa dove è maggiore la probabilità di trovarli.

Negli anni venti del secolo scorso, il modello atomico fu nuovamente aggiornato. Il modello più recente si basa sulla meccanica quantistica; infatti, particelle piccole come gli elettroni non seguono le leggi della fisica classica; pertanto, è impossibile conoscere in ogni istante dove si trova e quale energia ha un dato elettrone. Si può solo conoscere la zona attorno al nucleo, chiamata orbitale, in cui è maggiore la probabilità di trovarlo. Possiamo allora immaginare che ogni elettrone costituisca una “nuvola di carica negativa” che circonda il nucleo (figura 14).

VERIFIC

A

RIVEDI I CONCETTI

TUTOR Test interattivo

Completa le seguenti frasi.

11 Secondo Thomson, l’atomo è formato da una sfera di carica gli .

12 Secondo Rutherford, l’atomo è formato da un elettroni, con carica .

in cui sono dispersi centrale attorno al quale orbitano gli

Vero o falso?

108

13 L’esperimento di Rutherford si può spiegare supponendo che gli elettroni siano concentrati in un nucleo centrale.

V F

14 Nell’atomo di Bohr gli elettroni si muovono lungo orbite di energia definita.

V F

4 Il nucleo atomico

SPERIM

Ora sappiamo che gli atomi sono composti dalle stesse particelle: protoni, elettroni e neutroni. Per esempio, ogni atomo di carbonio, l’elemento fondamentale della vita, è costituito da 6 elettroni e da un nucleo con 6 protoni e alcuni neutroni. Tutti gli atomi di carbonio hanno 6 protoni nel nucleo; questo numero li rende diversi dagli atomi di ogni altro elemento (figura 16). Dato che le 6 cariche positive dei protoni bilanciano le 6 cariche negative degli elettroni, l’atomo di carbonio è complessivamente neutro. I neutroni sono particelle prive di carica, perciò non hanno alcun effetto sulla carica dell’atomo.

E N TA

Confrontiamo i miscugli eterogenei Guarda il video dell’esperimento; poi rispondi alle domande fornite sul foglio di lavoro.

PLUS / clip

Il numero atomico L’identità di un elemento è definita dal numero di protoni contenuti nel suo nucleo. Per esempio, ogni atomo con 6 protoni è un atomo di carbonio, mentre ogni atomo con 26 protoni è un atomo di ferro.

Il numero di protoni presenti nel nucleo di un atomo è detto numero atomico.

PLUS foglio di lavoro

◀◀Atomic number

5

Il numero di massa Gli atomi di carbonio non sono tutti uguali tra loro. Infatti, hanno tutti lo stesso numero di protoni, ma possono avere un diverso numero di neutroni. Per esempio, esistono tre diversi tipi di atomi di carbonio: atomi con 6 neutroni, atomi con 7 neutroni e atomi con 8 neutroni (figura 15).

A

B

C

15 | Gli atomi di carbonio non sono tutti uguali tra loro Ogni atomo di carbonio contiene 6 protoni (e 6 elettroni); però, il numero di neutroni può variare.

A] Il carbonio-12 ha 6 neutroni; B] il carbonio-13 ha 7 neutroni; C] il carbonio-14 ha 8 neutroni.

La somma del numero di protoni e neutroni in un atomo è detta numero di massa.

GLI ATOMI E LA TAVOLA PERIODICA

Il numero atomico è indicato genericamente con la lettera Z; il numero atomico del carbonio, che ha sei protoni, è Z = 6; quello del ferro è Z = 26. In un atomo neutro, il numero atomico corrisponde al numero di elettroni.

◀◀Mass number

Il numero di massa è indicato genericamente con la lettera A. Nel caso di un atomo di carbonio con 6 neutroni: A = Z (cioè numero di protoni) + numero di neutroni = 6 + 6 = 12 Gli atomi con stesso numero atomico (Z), ma diverso numero di massa (A) sono chiamati isotopi.

◀◀Isotope

L’isotopo del carbonio con numero di massa 12 si chiama carbonio-12; l’isotopo con 7 neutroni si chiama carbonio-13; l’isotopo con 8 neutroni si chiama carbonio-14, è instabile e viene impiegato per determinare l’età delle rocce e dei fossili. Anche se hanno masse leggermente diverse, i tre isotopi del carbonio hanno praticamente lo stesso comportamento chimico.

109

Per distinguere un particolare isotopo dagli altri, si utilizza un simbolo nucleare, che indica in modo sintetico il numero di protoni e neutroni contenuti nel suo nucleo. Per esempio, i simboli per i tre isotopi del carbonio sono:

¹²₆C ¹³₆C ¹⁴₆C

numero di massa (numero di protoni + numero di neutroni) numero atomico (numero di protoni)

APPLIC

A

PROBLEMA SVOLTO Determinare il numero di protoni a partire dal numero atomico

1

Un atomo di sodio (simbolo, Na) ha numero di massa 23. Sapendo che il sodio ha 11 elettroni, determina quanti protoni e quanti neutroni contiene il nucleo.

Risoluzione Analizza Il numero di massa (A) è dato dalla somma del numero atomico (Z) e dei neutroni: A = Z + numero di neutroni

A

Il numero atomico è dato dal numero di protoni presenti nel nucleo, che è uguale al numero di elettroni. Il sodio ha 11 elettroni, quindi ci sono 11 protoni nel nucleo; pertanto, Z = 11.

Calcola Il numero di protoni è: B

numero di neutroni = A – Z = 23 – 11 = 12

FAI PRATICA Un atomo di zolfo (Z = 16) ha numero di massa 32. Quanti neutroni ci sono nel suo nucleo? Quanti elettroni ci sono attorno al suo nucleo?

2

[ 16 neutroni; 16 elettroni ]

C

Diversamente da quanto aveva ipotizzato Dalton, gli elementi non sono fatti di atomi tutti uguali tra loro; infatti, la maggior parte degli elementi esistenti in natura è costituita da miscele di isotopi. Nel caso dell’idrogeno, i suoi tre isotopi hanno nomi e simboli particolari: l’isotopo con un protone e privo di neutroni si chiama prozio (simbolo, H), l’isotopo con un neutrone si chiama deuterio (D) e l’isotopo con 2 neutroni si chiama trizio (T) (figura 16).

VERIFIC

A

RIVEDI I CONCETTI

TUTOR Test interattivo

Completa le seguenti frasi.

15 Con la lettera Z si indica il

di un elemento.

16 Atomi con lo stesso numero atomico, ma diverso numero di massa, si dicono .

17 Con la lettera A si indica il di un elemento.

Vero o falso?

110

18 Un atomo con 8 protoni ha Z = 16.

V F

19 Il numero di massa di un atomo è sempre uguale o maggiore del numero atomico.

V F

20 Un atomo di carbonio-13 è più pesante di un atomo di carbonio-14.

V F

16 | I tre isotopi dell’idrogeno L’idrogeno è una miscela di tre isotopi: A] 99,985% prozio; B] 0,015% deuterio; C] trizio (in tracce.

Idee che hanno fatto… acqua

ScienceFactory pearson.it/science-factory L’evoluzione del pensiero chimico

È di vitale importanza. La si cerca nello spazio.

Ogni giorno diventa più preziosa. L’acqua, da sempre, è al centro dell’attenzione degli uomini.

E, in particolare, dei chimici. Ma che cos’è?

Che elemento Di che colore è la Terra? Visto dallo spazio, il nostro pianeta è quasi tutto blu. Questo perché la sua superficie è ricoperta per circa il 70% da acqua. E il nostro corpo, come quello di tutti gli altri organismi viventi, è costituito per la maggior parte da acqua. Non c’è da stupirsi se tra i chimici, scienziati che studiano la composizione e la trasformazione di tutto ciò che ci circonda, questa sostanza riscuota un certo interesse. Da sempre, da ancora prima che i chimici si chiamassero in questo modo.

Nel VI secolo a.C., il filosofo greco Talete teorizza che l’acqua sia addirittura alla base di tutta la materia esistente. Tutto deriva, secondo lui, da questo liquido che viene definito elemento fondamentale. Poi arrivano altri filosofi che sostengono idee alternative: Anassimene pensa che l’elemento fondamentale sia l’aria e non l’acqua. Mentre Eraclito dice che è il fuoco. E poi ancora Empedocle ipotizza che alla base di tutte le cose ci sia l’unione di quattro elementi: l’acqua, l’aria, il fuoco e la terra. Aristotele, infine, è d’accordo con Empedocle ma decide di complicare le cose aggiungendo la quintessenza, l’elemento definito “perfetto e incorruttibile” di cui sono fatte le stelle del cielo, cioè l’etere.

A noi oggi possono apparire bizzarre ma, a quell’epoca, le idee che vanno per la maggiore sono proprio queste. E vanno di moda per circa duemila anni. In questo lungo periodo, chi si occupa di riprodurre e studiare le trasformazioni della materia viene chiamato alchimista. Si tratta di individui spesso perseguitati e avvolti nel mistero che cercano il modo per trasmutare i metalli cosiddetti vili (come il piombo o il ferro) in metalli nobili (oro e argento) grazie alla tanto ricercata pietra filosofale. Non solo. Nel tardo Medioevo, gli alchimisti indirizzano le loro ricerche di laboratorio al perfezionamento del benessere fisico, cercando di sintetizzare il cosiddetto elisir di lunga vita.

Solo nel Seicento, con la rivoluzione scientifica, è possibile scardinare certe idee.

In linea con la tradizione aristotelica, questa tavola associa due qualità a ciascuno dei quattro elementi fondamentali: caldo e secco al fuoco, freddo e umido all’acqua, caldo e umido all’aria, freddo e secco alla terra.

Le ricerche degli alchimisti si sono basate per secoli su questa concezione della materia.

113

IL SOLVENTE DELLA VITA

Prove di scienza A cavallo tra Cinquento e Seicento, negli anni in cui vive e lavora Galileo Galilei, padre fondatore del metodo scientifico, in Belgio vive Jean Baptiste Van Helmont, un medico dalle idee alquanto singolari. Egli sostiene che, per comprendere il corpo umano, si debba indagare la natura intima della materia. Di fatto è un alchimista, ma con un approccio che comincia a somigliare a quello di uno scienziato moderno perché assegna una certa importanza alla misura quantitativa dei fenomeni.

In un celebre esperimento, Van Helmont prende un vaso pieno di terra e vi pone una piantina di salice. Prima, però, pensa di pesare sia il vaso con la terra sia la piantina.

Dopo cinque anni di coltivazione, ripete le stesse pesate e osserva che il vaso e la terra pesano poco meno rispetto all’inizio dell’esperimento, mentre il salice è decisamente più pesante. Come fa un albero a diventare così grande?

Da dove arriva la materia che si trasforma in salice?

Oggi queste domande posso sembrarci banali ma, al tempo di Van Helmont, non lo sono affatto. Nessuno conosce i gas dell’aria, né tantomeno l’esistenza della fotosintesi clorofilliana. Van Helmont può solo considerare che l’unica sostanza con cui il salice è entrato in contatto per tutti quegli anni sia l’acqua usata per irrigarlo. Deduce, di conseguenza, che l’albero è il frutto della trasmutazione dell’acqua. Egli è convinto che tutte le cose si siano formate a partire da due degli elementi fondamentali di Aristotele, l’acqua (appunto) e l’aria. La prova “scientifica” di questa teoria si trova nella Bibbia in cui è scritto che in principio “lo Spirito di Dio aleggiava sull’abisso dell’acqua”. Alle origini di tutto dovevano esserci l’aria e l’acqua.

Quando si cerca la vita su altri pianeti la prima cosa che si verifica è la presenza di acqua. Perché? Che cosa rende questa sostanza così unica e fondamentale per gli esseri viventi o, almeno, per quelli che conosciamo sul nostro pianeta?

L’acqua possiede delle proprietà straordinarie che sono legate a una caratteristica particolare: le particelle da cui è composta si comportano come se fossero delle microscopiche calamite che tendono ad attrarsi reciprocamente e ad aderire con le particelle di molti altri corpi. Per questa ragione riescono a risalire per capillarità dalle radici di un albero fino alle sue foglie, lungo i vasi xilematici, contro la forza di gravità. Oppure riescono a “tenere a galla” alcuni insetti che ci camminano sopra.

L’acqua è l’unica sostanza comune che nelle condizioni del nostro ambiente naturale possa esistere nei tre stati di aggregazione della materia: solido, liquido e gassoso. Ed è una delle poche sostanze che allo stato solido è meno densa che a quello liquido. Di conseguenza, il ghiaccio galleggia sull’acqua liquida. Questa proprietà è fondamentale per la vita acquatica. Quando un lago o un mare giungono al di sotto della temperatura di congelamento, si forma uno strato di ghiaccio che galleggia in superficie e protegge lo strato sottostante di acqua che così può mantenersi liquida e permettere la sopravvivenza degli organismi che ospita.

La vita non potrebbe esistere in un ambiente in cui si verificano delle grandi escursioni termiche. È necessario che esista qualcosa in grado di stabilizzare le temperature. Sulla Terra questo “qualcosa” è proprio l’acqua. Quando fa molto caldo, le grandi masse d’acqua del nostro pianeta sono in grado di assorbire enormi quantità di calore, che possono poi restituire quando fa freddo. Mari e oceani si comportano come delle vere e proprie riserve di calore. Questo fenomeno è più evidente nelle regioni costiere che di solito hanno un clima più mite di quelle continentali. Ma si manifesta a livello planetario.

CRONOLOGIA

114

Talete 640-546 a.C.

Anassimene 586-528 a.C.

Eraclito 540-475 a.C.

Empedocle 490-430 a.C.

l’acqua è l’elemento fondamentale

l’aria è l’elemento fondamentale

il fuoco è l’elemento fondamentale

tutti i corpi sono generati dall’unione di quattro elementi fondamentali: acqua, aria, terra e fuoco

L'ORO BLU

Le prime forme di vita sono nate nell'acqua. E le prime civiltà sono sorte vicino all'acqua. Questa molecola è una risorsa così preziosa che è stata sempre adorata... e contesa. La parola rivale nasce da “colui che usa lo stesso fiume”. Oggi che viviamo in un mondo globalizzato è più evidente come tutti gli abitanti del pianeta stiano usando "lo stesso fiume". E le contese che si generano, a volte in forma di vere proprie guerre, sono sempre più diffuse e di ampia portata. Ma viviamo in un pianeta ricoperto d’acqua, come è possibile che questa rappresenti un problema?

Costruzioni chimiche Van Helmont ha una visione piuttosto mistica della natura. E non molto diversa è quella di Robert Boyle, fisico (o, come si dice a quei tempi, filosofo naturale) irlandese. Vissuto nel Seicento, vede il mondo come una meravigliosa macchina generata da un artefice, cioè da Dio. Per lui fare scienza è una sorta di missione religiosa.

I risultati dei suoi esperimenti sono raccontati in diversi testi, tra cui il più significativo è “Il chimico scettico” (The sceptical chymist) del 1661. Il termine chymist deriva da alchymist (alchimista) da cui elimina la sillaba “al”. Con Boyle, e altri scienziati, si compie il passaggio dall’alchimia alla chimica moderna. Contesta duramente le idee stravaganti degli alchimisti del passato, sebbene sia un accanito sostenitore della trasmutazione: ritiene che un corpo possa trasformarsi in un altro corpo completamente diverso. Questa sua convinzione è supportata da alcuni esperimenti presenti nelle pagine del suo libro “scettico”, in cui l’acqua ricopre di nuovo un ruolo di primo piano.

In uno di questi esperimenti prende un seme di zucca e lo mette a mollo. Il seme germoglia e si sviluppa una piantina. Dall’osservazione di questo fenomeno deduce che l’acqua trasmuta nei componenti della pianta, all’incirca come aveva immaginato Van Helmont grazie all’esperimento del salice. Ma Boyle non si ferma qui. Lascia che la pianta vada in putrefazione e osserva come da essa si sviluppino vermi e insetti. Una pianta può diventare quindi un animale? Boyle pensa proprio di sì: l’acqua può trasmutare in pianta e, successivamente, in animale. Successivamente, considera come

Intanto perché solo una piccolissima porzione è davvero utilizzabile. Per rendere l'idea, se immaginassimo che tutta l'acqua della Terra fosse contenuta in un acquario da 100 litri, quella sia dolce che disponibile potrebbe riempire una bottiglia da mezzo litro e quella realmente potabile (cioè con le caratteristiche chimico-fisiche, microbiologiche e organolettiche adatte) potrebbe essere contenuta in mezzo cucchiaino da caffè. Ecco perché viene definita oro blu.

Oltre alla sua quantità limitata, bisogna considerare il caos climatico che sta stravolgendo i livelli di piovosità e lo stato di mari, laghi e fiumi in tutto il pianeta. Tuttavia, alla base del problema c'è soprattutto il modo in cui l'acqua viene gestita dall’uomo: spesso sprecata, inquinata e distribuita in modo poco equo. Circa il 70% del consumo mondiale di questa risorsa avviene a opera dell’agricoltura praticata in modo poco efficiente.

Nel 2010, la crescente attenzione alle criticità legate a questo bene comune ha condotto le Nazioni Unite a includere l’accesso all'acqua tra i diritti umani.

Aristotele 384-321 a.C.

Van Helmont 1577-1644

Boyle 1627-91

Lavoisier 1743-94

oltre ai quattro elementi c’è l’etere, la quintessenza

uno degli ultimi alchimisti, pensa che all’origine di tutte le cose ci siano l’acqua e l’aria

in origine c’era solo acqua

dimostra che l’acqua non può trasmutare e chiarisce definitivamente che non si tratta di un elemento ma di un composto

115

è possibile ottenere le strutture più disparate. Sulla base delle sue conoscenze e del suo approccio empirico, queste sono le conclusioni più sensate a cui Boyle può arrivare. E non sono del tutto sbagliate.

Il peso della bilancia

spesso nei reni di esseri umani e animali, anche quelli che si nutrono solo di vegetali, vengono trovate delle pietre (i calcoli renali). Di conseguenza, si spinge ancora oltre: l’acqua può generare il regno vegetale, animale e persino quello minerale. Per Boyle l’acqua è l’unico elemento fondamentale. Tutta la materia si sarebbe generata per trasmutazione di questo elemento.

Ma come è possibile che uno dei padri della chimica moderna possa pensarla così? Boyle ritiene, come alcuni suoi contemporanei, che tutta la materia sia costituita da corpuscoli microscopici dotati di una certa forma, dimensione e moto. In base a come questi vengono assemblati nei processi naturali, come un seme che germoglia, si possono generare tutti i materiali. È un po’ come le costruzioni giocattolo: a seconda di come si mettono insieme i pezzi,

Ricerca, condividi, comunica

COMPETENZE

1 Quando Boyle osserva la formazione di larve dalle piante in putrefazione deduce che alcune particelle di cui è composto il vegetale si sono riassemblate per dare vita all’animale. Sulla base di ciò che sappiamo oggi, che cosa c’è di giusto e di sbagliato in questa sua deduzione?

2 L’acqua riesce ad “arrampicarsi” sugli alberi fino alle foglie. Allo stesso modo riesce a risalire lungo un filo di cotone o a impregnare un tessuto. Perché? Quale fenomeno c’è alla base?

3 Perché è più difficile infilarsi un paio di guanti o dei calzini quando abbiamo le mani o i piedi bagnati? Prova a immaginare che cosa succede a livello microscopico.

4 Se si lancia un sasso piatto sul pelo dell’acqua questo può rimbalzare più volte prima di sprofondare. Perché?

E se lo si lancia su un lago ghiacciato che cosa succede?

116

Il fatto che l’acqua possa trasmutare viene dimostrato anche attraverso un vecchio esperimento. Si tratta della distillazione ripetuta. Questo esperimento ideato dagli alchimisti consiste nel far bollire per giorni e giorni una grande quantità di acqua in un contenitore di vetro. Il vapore prodotto viene completamente recuperato, condensato e rimesso a bollire. Al termine accade un fenomeno particolare: sul fondo del contenitore appaiono dei detriti solidi. Di che cosa di tratta?

Per gli alchimisti nessun dubbio: è acqua trasmutata in terra. Per un altro scienziato fondamentale per la storia della chimica, invece, le cose vanno diversamente. Antoine Laurent Lavoisier, chimico francese vissuto nel Settecento, vuole vederci chiaro e riproduce quell’esperimento pesando con precisione sia il contenitore sia l’acqua.

Dopo ben 101 giorni di bollitura ripete la pesata e osserva che, mentre il peso dell’acqua è rimasto lo stesso, il contenitore è diventato più leggero; e la perdita di peso corrisponde esattamente al peso del residuo terroso che si forma. Che cosa ne deduce? … Non è l’acqua che trasmuta, ma il contenitore che viene eroso dall’ebollizione. Si tratta quindi di un semplice fenomeno fisico. Il trucco viene svelato grazie all’applicazione della legge di conservazione della massa di cui Lavoisier è convinto sostenitore.

Lo scienziato dimostra, inoltre, che l’acqua oltre a non essere in grado di trasmutare non è neanche un elemento chimico. Ma per comprendere meglio l’esperimento che gli permette di fare questa scoperta occorre conoscere meglio il mondo dei gas.

Per approfondire http://www.worldwatercouncil.org Organizzazione internazionale che si occupa delle problematiche legate alla gestione dell’acqua a livello globale e locale.

http://ed.ted.com/lessons/how-polarity-makes-water-behavestrangely-christina-kleinberg Una lezione TED-Ed sulla polarità dell’acqua e le sue conseguenze per la vita (si parla anche di struttura della molecola, di legami covalenti e di legami a idrogeno). In lingua inglese con sottotitoli in italiano.

http://ed.ted.com/featured/tt8nl9uK Video divertente sull’esperimento di Van Helmont. È in lingua inglese!

http://ed.ted.com/lessons/fresh-water-scarcity-anintroduction-to-the-problem-christiana-z-peppard Una lezione TED-Ed sulla gestione dell’acqua come bene comune.

In lingua inglese con sottotitoli in italiano.

Capitolo 5 / Mappa d'insieme La materia

TUTOR Mappa interattiva

è formata da

ATOMI

protoni (p )

che definiscono il

nucleo costituiti da

particelle subatomiche

carica elettrica positiva

con

+

numero atomico (Z)

che insieme definiscono il

numero di massa (A)

privi di carica elettrica neutroni (n) che comprendono

che differenziano gli

che occupano

carica elettrica negativa orbitali

7 periodi formata da appartenenti a

90 elementi naturali ~ 20 elementi artificiali

ordinati nella classificati in

tavola periodica

in base alle

metalli non metalli

18 gruppi proprietà chimiche proprietà fisiche

semimetalli

che possono

acquistare elettroni perdere elettroni

che possono formare

legami chimici

divenendo divenendo

mediante

mediante per raggiungere l’

ottetto

5 GLI ATOMI E LA TAVOLA PERIODICA

con

elettroni (e−)

isotopi di un elemento

ioni positivi (cationi) ioni negativi (anioni)

nel acquisto o perdita di e.

legame che caratterizza i ionico

condivisione nel di coppie di e.

che caratterizza legame covalente

composti ionici

molecole biatomiche composti molecolari

111

Capitolo 5 / Sintesi TUTOR Audiosintesi

1 La teoria atomica di Dalton

Secondo la teoria atomica di Dalton, la materia è fatta di atomi, particelle piccole e indivisibili, che non si possono né creare, né distruggere. Gli atomi di uno stesso elemento sono tutti uguali e con la stessa massa, e si combinano con atomi interi dello stesso elemento o di altri elementi. Con il progredire degli studi e delle scoperte, alcuni enunciati della teoria di Dalton furono superati; per esempio, gli atomi non sono indivisibili (infatti, sono formati da particelle più piccole). Inoltre, gli atomi di un elemento non sono tutti uguali tra loro (infatti, molti elementi sono miscele di diversi isotopi).

2 La scoperta delle particelle subatomiche

Tutti gli atomi sono costituiti da tre tipi di particelle subatomiche: • gli elettroni, con carica negativa e massa 9,110 ∙ 10–31 kg; • i protoni, con carica positiva e massa 1,673 ∙ 10–27 kg; • i neutroni, privi di carica e con massa simile a quella dei protoni.

Neutroni e protoni si trovano nel nucleo degli atomi; gli elettroni si muovono nello spazio che lo circonda. Gli atomi sono neutri perché la carica negativa degli elettroni è bilanciata dalla carica positiva dei protoni. I neutroni e i protoni sono tenuti insieme nel nucleo dalla forza nucleare, una forza molto intensa che agisce tra particelle poste a brevissima distanza.

3 La struttura degli atomi

All’inizio del Novecento, furono proposte diverse teorie atomiche: • Thomson suggerì che l’atomo è una sfera con carica positiva in cui gli elettroni sono distribuiti in modo casuale.

• Rutherford propose un modello atomico in cui la massa e la carica positiva sono concentrate in un piccolissimo nucleo al centro dell’atomo, mentre gli elettroni si trovano nello spazio, per lo più vuoto, all’esterno del nucleo.

• Bohr propose un modello atomico nel quale gli elettroni si muovono solo in specifiche orbite attorno al nucleo. Ogni orbita è caratterizzata da un ben preciso valore di energia, chiamato livello energetico (o guscio o strato).

• secondo la meccanica quantistica si può conoscere soltanto la zona attorno al nucleo in cui è maggiore la probabilità di trovare l’elettrone. Questa zona è chiamata orbitale.

4 Il nucleo atomico

112

Il numero di protoni presenti nel nucleo di un atomo è detto numero atomico e definisce l’identità di un elemento.

La somma dei protoni e dei neutroni presenti nel nucleo è detto numero di massa. Atomi con lo stesso numero atomico e diverso numero di massa, cioè un diverso numero di neutroni, sono isotopi.

Durante le reazioni chimiche gli atomi possono perdere o acquistare elettroni, trasformandosi in particelle cariche chiamate ioni. Uno ione è un atomo, o un gruppo di atomi, che ha perso o acquistato uno o più elettroni; i cationi sono ioni con carica positiva, che si formano quando un atomo perde uno o più elettroni, gli anioni sono ioni con carica negativa, che si formano quando un atomo acquista uno o più elettroni.

5 La tavola periodica degli elementi

La tavola periodica riporta tutti gli elementi chimici, ordinati secondo il numero atomico crescente. Fu ideata nel 1869 da Mendeleev, un chimico russo, il quale scoprì che, se disponeva gli elementi allora noti dal più leggero al più pesante, alcune delle loro proprietà si presentavano a intervalli regolari.

■ Nella tavola periodica le righe sono dette periodi e sono numerate da 1 a 7, mentre le colonne sono dette gruppi e sono 18 in tutto; gli elementi di uno stesso gruppo hanno proprietà chimiche simili. La numerazione tradizionale dei gruppi usa numeri romani seguiti dalle lettere A o B, mentre la numerazione moderna utilizza i numeri arabi da 1 a 18. Ogni casella della tavola riporta simbolo, nome, numero atomico e massa atomica (espressa in unità di massa atomica) di ogni elemento.

■ Gli elementi che stanno a sinistra e al centro della tavola periodica sono detti metalli: in genere, sono buoni conduttori di calore e della corrente elettrica, sono malleabili e duttili, e presentano una tipica lucentezza. Gli elementi che stanno in alto a destra nella tavola periodica sono detti non metalli e presentano proprietà più varie: a temperatura ambiente alcuni sono solidi, altri gassosi; nel complesso sono cattivi conduttori del calore e della corrente elettrica, inoltre sono fragili. Infine, gli elementi che stanno a cavallo della linea a zig zag che separa metalli e dai non metalli sono detti semimetalli; possono comportarsi da metallo o da non metallo, a seconda delle condizioni.

X Il legame chimico e i composti

Il comportamento chimico di un atomo dipende dagli

elettroni di valenza, cioè dagli elettroni del livello esterno. Gli

atomi con 8 elettroni nel livello esterno sono particolarmente stabili e si dice che hanno un ottetto.

Gli atomi che non hanno un ottetto tendono a formare legami chimici.

■ Il legame ionico si stabilisce fra ioni con carica di segno opposto, che si formano in seguito a un trasferimento di elettroni; il composto che si forma è un composto ionico. I composti ionici sono caratterizzati da una struttura ordinata (il reticolo cristallino). Il più piccolo insieme di ioni, complessivamente neutro, presente in un composto ionico si chiama unità formula. Per esempio, NaCl è l’unità formula del

Capitolo 5 / Palestra delle competenze TUTOR Tracce di Risposta

TUTOR Test interattivi

9 Una radiazione elettromagnetica con frequenza di 6,0 ·

Verifica le conoscenze

CONOSCENZE

1014 Hz: A non è monocromatica.

B è uno spettro continuo.

C può far parte di uno spettro continuo.

D corrisponde a due diverse lunghezze d’onda.

2 La teoria corpuscolare della luce

1 La teoria ondulatoria della luce 1 Che cos’è la luce? A quale velocità si propaga nel vuoto?

2 Illustra, a parole e con un disegno, che cosa s’intende per lunghezza d’onda e ampiezza di un’onda.

3 Qual è la relazione fra la lunghezza d’onda e la frequenza della radiazione elettromagnetica?

5 Assegna a ciascuna radiazione un intervallo Lunghezza d’onda (nm) a ] raggi X

D velocità di propagazione.

A 6,626 · 10–34 J

C 6,626 · 10–34 s

B 6,626 · 10–34 J · s

D 6,626 · 10–34 J · s–1

C monocromatica.

Internazionale è:

D diversa a seconda della intensità del fascio di luce.

A s–1

14 L’effetto fotoelettrico è un fenomeno:

B m

A chimico caratterizzato dall’emissione di elettroni, che si verifica quando un metallo è colpito da una radiazione elettrica.

C s D adimensionale

7 Vero o Falso?

5

B chimico caratterizzato dall’emissione di elettroni da parte di un gas.

V F

b ] La lunghezza d’onda è direttamente proporzionale V F alla frequenza di una radiazione. c ] Maggiore è l’ampiezza, maggiore è l’energia che viaggia con un’onda elettromagnetica.

V F

d ] c = ν λ

V F

8 Una radiazione di lunghezza d’onda pari a 700 nm è di

C giallo.

B intensità.

B maggiore dell’energia di un fotone di una radiazione infrarossa.

6 L’unità di misura della frequenza nel Sistema

B azzurro.

C ampiezza.

A maggiore dell’energia di un fotone di una luce blu.

c ] luce visibile

A violetto.

A frequenza.

13 L’energia di un fotone di una luce rossa è:

b ] radiazioni infrarosse

colore:

11 L’energia di un quanto dipende dalla:

12 La costante di Planck vale:

approssimativo di lunghezza d’onda:

a ] Il grafico che si ottiene riportando l’intensità di un’onda in funzione del tempo è una curva sinusoidale.

tra i risultati attesi in base alle teorie della fisica classica, e ciò che si osserva negli esperimenti? (b) Quale fu la spiegazione proposta da Einstein?

GLI ATOMI E LA TAVOLA PERIODICA

4 Spiega qual è la differenza tra la luce gialla e la luce blu.

10 Descrivi l’effetto fotoelettrico. (a) Quali erano le differenze

C fisico caratterizzato dall’emissione di elettroni, che si verifica quando un metallo è colpito da una radiazione elettromagnetica.

D fisico caratterizzato dall’emissione di fotoni.

15 There are four quantum numbers that are important for describing electrons in their orbitals.

Three refer to the orbitals and one refers to the electrons themselves. Which of these only refers to the electrons?

A The principle quantum number (n) .

B The magnetic spin quantum number (ms).

C The magnetic quantum number (m) .

D The angular quantum number (l) .

113

26 L’emissione della luce rossa da parte dell’atomo di

3 Il modello atomico di Bohr 16 Che cos’è una spettro di emissione atomica? In che cosa è diverso dallo spettro della luce bianca?

idrogeno è dovuta alla transizione dell’elettrone dal livello con energia: A E1 al livello con energia E2.

A E2 al livello con energia E1.

17 Descrivi il modello atomico di Bohr.

18 Spiega la differenza tra stato fondamentale e stato eccitato dell’atomo di idrogeno.

A E3 al livello con energia E2.

A E4 al livello con energia E3.

27 La riga viola dello spettro dell’atomo di idrogeno:

19 Descrivi il modello atomico di Bohr.

20 Spiega la differenza tra stato fondamentale e stato eccitato dell’atomo di idrogeno.

A è dovuta alla transizione dal livello con n = 1 al livello con n = 2.

A non fa parte dello spettro visibile dell’idrogeno.

21 Il modello di Bohr è valido per gli atomi:

A cade intorno ai 400 nm (lunghezza d’onda).

A di un elemento allo stato gassoso, sotto pressione.

A ha una frequenza di 4,57 * 1014 Hz.

A di idrogeno.

A di idrogeno in ben precise condizioni di pressione e temperatura.

A degli elementi più leggeri.

22 Secondo il modello di Bohr: A l’elettrone in uno stato stazionario è instabile.

A lo stato fondamentale dell’idrogeno corrisponde a n = 1.

Applica le conoscenze

ABILITÀ

A l’energia delle orbite diminuisce al crescere di n.

A si ottiene uno spettro di emissione quando l’atomo passa dallo stato di minima energia a uno stato eccitato.

23 Individua l’affermazione errata. Secondo il modello atomico di Bohr: A la massa dell’atomo è concentrata nel nucleo, come nel modello di Rutherford.

A l’elettrone percorre orbite circolari, il cui raggio cresce via via che si allontana dal nucleo.

A a ogni orbita è associato un determinato valore di energia.

A gli elettroni possono perdere energia emettendo fotoni.

24 Vero o Falso? a ] Quando assorbe energia, l’atomo di idrogeno passa a uno stato eccitato.

V F

b ] Le frequenze dello spettro di emissione dell’idrogeno sono in accordo con i valori delle transizioni V F calcolate in base al modello di Bohr.

nell’intervallo 210-230 nm. In quale regione dello spettro elettromagnetico cadono queste radiazioni?

58 Le onde della figura rappresentano due radiazioni

elettromagnetiche. a] Qual è la lunghezza d’onda della radiazione A e quella della radiazione B? b] Qual è la frequenza di A e di B? c] Identifica a quale regione dello spettro appartiene ciascuna radiazione.

59 Confronta Disponi le seguenti radiazioni elettromagnetiche in ordine di frequenza crescente: (a) i raggi γ emessi da un radioisotopo per applicazioni mediche; (b) il segnale di una stazione radio in FM a 93,1 MHz; (c) il segnale di una stazione radio in AM a 680 kHz; (d) la luce gialla di una lampada al sodio; (e) la luce rossa di un led.

60 L’energia di una radiazione arancione, con lunghezza

c ] Per passare dal livello con n = 1 al livello con n = 2, l’elettrone deve acquistare energia pari a E1 – E2. V F

d’onda di 600 nm è: A 5,0 · 1014 J

A 3,31 · 10–19 J

d ] Quando si fa passare attraverso un prisma la luce emessa dagli atomi eccitati di un elemento, si ottiene uno spettro continuo.

A 3,98 · 10–31 J

A 3,98 · 10–40 J

V F

25 Secondo il modello di Bohr dell’atomo di idrogeno: A la frequenza di emissione è uguale alla frequenza di assorbimento.

A quando assorbe energia, l’elettrone può passare solo dal primo al secondo livello di energia.

A quando assorbe energia, l’elettrone può passare solo dal secondo al primo livello di energia.

A l’elettrone può effettuare una data transizione assorbendo qualsiasi quantità di energia.

114

57 Nell’alta atmosfera, l’ozono assorbe energia

61 Confronta Le radiazioni ultraviolette nella luce del Sole sono responsabili delle scottature e dell’abbronzatura.

I cosiddetti raggi UV-A hanno una lunghezza d’onda compresa nell’intervallo 320-380 nm, mentre gli UV-B sono compresi nell’intervallo 290-320 nm. Secondo te, quali sono più nocivi per la salute umana: i fotoni dei raggi UV-A o quelli dei raggi UV-B?

62 EFFETTO FOTOELETTRICO Spiega che cosa accade in ciascuna delle seguenti situazioni. a ] Il cesio viene irraggiato con una luce di frequenza appena maggiore della frequenza di soglia.

1

IL COMPORTAMENTO DEI GAS

IL LINGUAGGIO DELLA CHIMICA E LA MOLE

7 GLI ATOMI E LA TAVOLA PERIODICA

6 LE TRASFORMAZIONI CHIMICHE

5 LE TRASFORMAZIONI FISICHE

4 LA MATERIA

3 LE GRANDEZZE E LE MISURE IN CHIMICA

2

119

LA MATERIA

LE GRANDEZZE E LE MISURE IN CHIMICA

IL COMPORTAMENTO DEI GAS

IL LINGUAGGIO DELLA CHIMICA E LA MOLE

GLI ATOMI E LA TAVOLA PERIODICA

6

LE TRASFORMAZIONI CHIMICHE

5

LE TRASFORMAZIONI FISICHE

LA MATERIA

IL COMPORTAMENTO DEI GAS

IL LINGUAGGIO DELLA CHIMICA E LA MOLE

GLI ATOMI E LA TAVOLA PERIODICA

6

LE TRASFORMAZIONI CHIMICHE

5

LE TRASFORMAZIONI FISICHE

4 4

001

001

3 3

7

5 6 7

7

7

2 2

LE GRANDEZZE E LE MISURE IN CHIMICA

122

1 1

pagine pari Capitolo 1 / Palestra delle competenze Capitolo 5 / Mappa d'insieme

1 2 3 4 5 capitolo

capitolo

4

1 2 3

6

Il linguaggio della chimica e la mole Le trasformazioni chimiche

pagine dispari

Capitolo 4 / Verifica l’apprendimento TUTOR Test interattivi

Scegli il completamento o la risposta corretti

8 In una bilancia a due piatti, sul piattello a destra si pone

A il volume.

1 kg preciso di ferro e sul piattello a sinistra si pone 1 kg preciso di paglia. L’ago della bilancia è spostato verso il piattello con il ferro, perché:

A la massa.

A la paglia è più voluminosa del ferro.

A la pressione.

A il ferro è più denso della paglia.

A l’energia.

A il ferro è una sostanza magnetica.

1 È una grandezza intensiva:

2 Individua l’affermazione errata riferita alla relazione fra grandezze: Etermica = m * Cs * T

A la bilancia è tarata male.

9 Un olio di oliva viene venduto all’ipermercato, in offerta, a

A Etermica è una variabile dipendente.

A m è una variabile indipendente.

A Cs è una costante.

A Etermica = f(m, Cs, T)

3 Indica l’unità di misura del Sistema Internazionale:

10,00 €/L; al frantoio lo stesso olio viene venduto a 10,00 €/kg. Dove è più conveniente comprare l’olio, se la sua densità è 0,90 g/cm3?

A È indifferente, l’olio viene venduto allo stesso prezzo.

A Al frantoio, perché con 10,00 € ne compro un kilogrammo invece di 900 grammi.

A L

A atm

A All’ipermercato perché con 10,00 € ne compro un litro invece di 900 millilitri.

A J

A bar

A All’ipermercato perché è in offerta.

4 Indica il numero che non contiene due zeri significativi:

10 Quando appoggi una mano sul marmo e hai una

A 0,01 g

sensazione di freddo, significa che:

A 2,008 m

A la mano cede calore al marmo.

A 0,1030 °C

A la mano acquista calore dal marmo.

A 0,001200 L

A il marmo è più denso della mano.

5 La temperatura di un flash è di circa 5300 °C, cioè: A 5573 K A 5573 °k A 5573,15 K A 5573,15 °K

A il marmo si trova a una temperatura maggiore rispetto alla mano.

11 Individua l’affermazione errata: A l’energia è definita come la capacità di un corpo di compiere lavoro o di trasferire calore.

A dipende dalla temperatura.

A un sistema chiuso scambia solo energia con l’ambiente quando il trasferimento di energia avviene in modo ordinato, l’energia può compiere un lavoro.

A varia al variare della temperatura.

A il calore si misura con il termometro.

A è inversamente proporzionale al volume.

A il calore assorbito dal sistema, per convenzione, ha segno positivo Il calore di reazione è legato a un trasferimento di energia che avviene in modo ordinato.

6 Indica l’affermazione errata. La densità di un corpo:

A è direttamente proporzionale alla massa.

7 La forza gravitazionale è comunemente chiamata peso (P = m * g dove g = 9,81 m/s2). Un corpo ha una massa di 20,4 kg. Dato che la forza di attrazione gravitazionale sulla Luna è sei volte più piccola che sulla Terra, la massa e il peso del corpo sulla Luna sono nell’ordine: A 20,4 kg • 200 N A 20,4 kg • 33,3 N A 3,40 kg • 33,3 N A 3,40 kg • 200 N

12 Per portare la temperatura di 1 g di un metallo da 26 °C a 27 °C occorre fornire 30,6 J di calore. Secondo te, per portare la temperatura del metallo da 82 °C a 83 °C, approssimativamente: A occorre fornire meno di 30,6 J, perché il corpo è già caldo.

A occorre fornire più di 30,6 J, perché il corpo è più caldo e quindi è più difficile da scaldare.

A occorre fornire 30,6 J, se supponiamo che il calore specifico rimanga costante al variare della temperatura.

A non si può dire quanto calore occorre fornire, se non si

112